无中生有

——霍金与《时间简史》

吴忠超

剑桥是中世纪以来世界上最重要的学术中心。１９７９年底，当我第一次从伦敦乘火车去剑桥时，在英格兰阴霾多变的天空下，远眺开阔的牧场、乡村和森林尽头出现的剑桥国王学院建筑群的剪影，缅怀前贤，悠思无限，此地正是科学的麦加。剑桥是经典力学和电磁学的发轫之地。经典力学的创始人牛顿和电磁场理论的创始人麦克斯韦即是在剑桥三一学院和卡文迪许实验室度过他们的科学生涯的。这里曾出现过无数文化巨人，如诗人弥尔顿、拜伦，科学家达尔文、卢瑟福、汤姆孙，哲学家罗素、维特根斯坦，经济学家凯恩斯……

二十世纪在这里又出现了一位物理学奇才霍金。霍金是引力物理自爱因斯坦以来最大的权威。他的黑洞蒸发理论和量子宇宙论不仅震动了自然科学界，而且对宗教和哲学也有深远影响。霍金生于１９４２年，生日刚好是伽利略３００年忌日，这似乎注定了他一生的使命。他出生于英国牛津，在牛津受完大学本科教育后，即转入剑桥念研究院。于是这位人物就出现于６０年代和剑桥这个历史和地理的时空交汇点上。

霍金在大学本科毕业时即患了不治之症：卢伽雷病。他在剑桥初期尚能拄杖行走，后来就只能被禁锢在轮椅上了。我第一次见到他是在应用数学和理论物理系讨论班里，他的样貌令我大吃一惊。当时他斜躺在轮椅上，绝大多数时间里都低垂着头，要很努力才能把头抬起来，而且时时需要别人为之调整他在轮椅上的坐姿。当时他用几根指头操纵轮椅的电开关，变形的语音只有常听者才能明白。他说要是到中国讲演的话，先要把他的语言翻成英文，再从英文翻成中文。他１９８５年时去了一趟中国，也的确是这么做的。

就是这样的一位残疾人，当时已被世界公认为引力物理的巨人。他被选入英国皇家学会，并是最年轻的会员之一。他和乔治·埃利斯合作的专著《时空的大尺度结构》已成为引力物理的经典。这本书的前半部证明了彭罗斯和他合作的奇性定理，即是在非常一般的物理条件下，广义相对论会导致时空的奇点，典型的例子便是黑洞中的奇点以及大爆炸奇点。该书的后半部即是著名的黑洞面积定理，黑洞的表面积不减，如果两颗黑洞合并在一起，合并后的黑洞表面积比原先两个黑洞表面积之和还要大。人们发现这种性质和熵很类似，后来他果然证明了黑洞表面积即是它的熵的量度。

霍金划时代的贡献是１９７４年发现了黑洞辐射机制。在经典物理中，黑洞的表面是一种单向膜，任何物体一旦越过这表面就再也不可能返回。也许人们在越过巨大黑洞的表面时并不觉得有何异样，但一旦进入就难逃撞上奇点粉身碎骨的命运。霍金考虑了黑洞表面附近的量子起伏，发现起伏产生的粒子对中的一个会逃逸到远处，这些粒子流就象是从黑体辐射出来似的。对于最简单的黑洞，这种辐射的温度和黑洞质量成反比，所以在辐射的晚期，黑洞质量变得非常小，温度也就随之变得非常高，黑洞就在爆炸中结束。黑洞辐射机制把引力论、量子论和统计力学统一到一起。它是量子引力论的前兆。霍金辐射已使他的名字在科学史上不朽。

霍金在１９８０年４月２９日就职为卢卡斯数学教授。第二位担任这一教席的是伟大的牛顿，霍金的前任还包括斯托克斯和狄拉克，后者是量子力学的奠基者之一。

霍金最大的野心是要一劳永逸地解决从牛顿以来就一直困扰人类的第一推动问题。他早年证明的广义相对论的奇性定理表明，奇点也就是时空的边界是不可避免的，而第一推动问题正是和时空边界相依存的。所以为了排除第一推动问题，就必须寻求一种无边界宇宙的模型，这只有在量子引力论框架中才能实现。他的这种思想孕育于１９８１年于梵蒂冈，当时他在那里参加宇宙论会议。他与教皇约翰保罗二世的两次会面，极具戏剧性并令人感动，这些都生动地记录在他的著作和传记中。

由于宇宙是包容一切的，在宇宙之外不应该存在任何东西，所以要询问宇宙从何而来的问题，其答案只能是，宇宙是从无中产生出来的，无的威力是无敌的。根据这种观念，霍金认为宇宙是没有边界的，不管是在空间的意义上，还是在时间的意义上来讲。宇宙的边界条件是它没有边界。这样甚至上帝也没有存身之所了，看来他是最彻底的无神论者了。

霍金认为时空可以用四维的球面来描述，只比爱因斯坦三维空间的球面模型多一维。人们经常提的问题是，在大爆炸之前宇宙是什么样子的？他的回答是﹐在邻近大爆炸奇点处量子引力的效应非常显著，时间变成虚的，从而和空间不可区分。可以说宇宙成为既没有开初也没有终结的四维球面。如果要问此前发生了什么，正如同有人要问在地球表面上比南极更南１００公里处在什么地方一样，是没有意义的。他的模型只是比地球表面多二维罢了。这样，在经典模型中的大爆炸奇点在量子宇宙学中就被抹平了。 

这个无边界宇宙模型能做出许多预言，比如空间必须是均匀的和各向同性的；时空是平性的，即宇宙可演化足够长的时间，它的演化不应太激烈，让我们的星系乃至生命有足够演化的时期，并使智慧得以成熟到能询问这些宇宙学的问题；宇宙的成团的物质结构起源于这个背景下的量子起伏；太空中存在着可被检测到的太初引力波；宇宙在宏观上是四维的，一维时间，三维空间；宇宙的无序度即熵随时间增加，这就决定了时间箭头的方向。其实在摒除了第一推动之后，在原则上，宇宙中的一切都可单独地由物理定律预言出来。

霍金的量子宇宙论对宗教和哲学的冲击是显而易见的，它以极其鲜明的形式扫清了沉积在人们观念中的陈腐观点。它的哲学和美学魅力吸引了千千万万有教养的人士，这正是他的通俗著作《时间简史》能够家喻户晓的原因。 

我在霍金指导下作有关极早期宇宙的博士论文时，正是他发展无边界宇宙理论的时期。我记得有一年圣诞节前夕，他约我去讨论研究。讨论结束后天完全黑了，又下大雪——英国处于高纬度地区，下午三四点天就黑了。他已不可能驱动轮椅回家了。大家只能用小车把他送回去。他的轮椅平时要驶过皇后学院、国王学院并跨越剑河才能回到西路5号的家中。他有时在家举行酒会，在这个场合我能见到他的夫人简、三个孩子和许多国际同行。简是一位非常辛苦的主妇，大家都很尊重她。

霍金虽然身患痼疾，但十分关心别人。在我前妻胡小明赴英之前，他表示要写信给英国外交部以加速签证的批准，并说官僚主义古今中外皆然，也许他的去信可以有助。当胡首次在应用数学系的走廊里遇上他时，他发自内心地对胡讲：“对你的到来我非常非常高兴。”他曾请胡小明为他的论文作图以供发表之用。他对中国这个文明古国非常好奇，但不知应到何处访问，我建议他访问我母校中国科技大学并帮助联系。他在１９８５年终于成行，并在合肥的中国科技大学和北京师范大学讲学。北师大的研究生们把他抬上了长城，面临着如此宏伟的大好河山，他不禁感叹道：“ 宁愿死在长城，而不死在剑桥。”

我们是在１９８４年２月离开剑桥的。之前他关切地询问我下一步有什么打算，我回答说想去欧洲游学。他笑起来说：“英国不就在欧洲吗？”我回答说，我想到欧洲大陆游学。他让我留下我的全部行程表，希望不要失去联系。他不仅为我写推荐信，还和在意大利的里亚斯特的萨拉姆教授分别给中国科学院去电传，支持我在欧美游学。写到此处，我特别怀念在１９９６年去世的极为平易近人的萨拉姆。

他还建议和我合作一篇论文，1985年发表在《物理学通讯》上。临别之际，我们和他在他的办公室里拍了一些照片。据说这些照片是他少有的露出童稚笑容的几张。照片背景的黑板上是我们论文的一些图。

我是在和霍金闲谈中得知他打算写一本宇宙学的通俗读物。那时候他连书名都没想好。我们当时就商谈将其译成中文的事。在我离开剑桥时他还没完稿。１９８８年２月我收到他有关将此稿译成中文的信件，以及定名为《时间简史》的首版赠书。许明贤和我花几个月的时间将它译完，并在１９８８年下半年将手稿交湖南科技出版社，它的中文版终于在１９９２年问世了。在这期间该书已在全世界用３３种文字发售了５５０万册，即平均每千人即有一册。在西方自称受过教育的人若没有看过这本书则会被人瞧不起。这本书在海峡两岸也成为莘莘学子的必读之书。

注：《时间简史》，〔英〕史蒂芬·霍金著，许明贤、吴忠超译，湖南科学技术出版社1992年版。

全文原载《读书》1994年3月和《在时间中沉醉》。